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01.12.11 | Artikel der Salzgitter Mannesmann Forschung

Neues Labor für Hochtemperaturkorrosion am Standort Duisburg

Werkstoffentwicklung für Hochleistungskraftwerke
Prizielle Materialbeanspruchung von Kesselrohren durch dampf- und feuerseitige Korrosion sowie durch Innendruck (Zeitstandfestigkeit)

Die Inbetriebnahme zweier Versuchsstände zur Simulation von Hochtemperaturkorrosionsvorgängen in Kraftwerken hat die Expertise von SZMF in Duisburg in der Forschung und Entwicklung im Bereich warmfester Stähle um ein neues Kompetenzfeld erweitert.

Moderne kohlebefeuerte Hochleistungskraftwerke arbeiten zurzeit mit Dampfparametern von 600°C und 290 bar bei Wirkungsgraden von 47 %. Damit Wirkungsgrade von 50 % und mehr erreicht werden können, muss in zukünftigen Kraftwerksgenerationen die Dampftemperatur auf etwa 700°C und der Betriebsdruck auf etwa 350 bar erhöht werden. Zusätzlich werden durch die Anwendung neuer Technologien, wie etwa des Oxyfuel-Verbrennungsprozesses, neue -Bedingungen generiert. Die Auswirkungen auf die Materialeigenschaften sind dabei teilweise völlig unbekannt. Da die eingesetzten Kesselbauteile (Überhitzerrohre, Membranwände und Frischdampfleitungen) diesen neuen Bedingungen standhalten müssen, wird die Entwicklung beständiger Werkstoffe für die neuen Kraftwerkskonzepte von Seiten der Kraftwerksbetreiber, Kesselbauer und Rohrhersteller stark vorangetrieben.

Bisher wurde die Werkstoffentwicklung für Hochleistungskraftwerke vorwiegend unter dem Gesichtspunkt der Zeitstandfestigkeit vorgenommen. Die Oxidationsbeständigkeit in Wasserdampf und die rauchgasseitige Korrosion stellten aufgrund der niedrigen Metalltemperaturen ein weniger großes Problem dar. Bei den geplanten Betriebstemperaturen und veränderten Verbrennungsatmosphären in Kraftwerken der nächsten Generation spielt die Oxidation in den Betriebsmedien Dampf (Rohrinnenseite) und zunehmend auch Rauchgas und Aschebelag (Rohraußenseite) eine immer wichtigere Rolle.

Bei Temperaturen über 600°C verstärken sich im Allgemeinen die chemischen Reaktionen der Rohrinnenoberfläche mit dem Wasserdampf. Es kommt zur Ausbildung dicker Oxidschichten und zum Abdampfen volatiler Korrosionsprodukte. Der damit einhergehende Wanddickenverlust ist ebenso wenig akzeptabel wie die eingeschränkte Wärmeübertragung. Die rauchgasseitige Korrosion tritt bei Temperaturen um 700°C insbesondere durch Gehalte an Schwefel im Rauchgas (SO2) und in Ascheablagerungen (Sulfate) verstärkt auf. Es besteht die dringende Notwendigkeit, den Aspekt der Hochtemperaturkorrosion gleichwertig neben der Zeitstandfestigkeit von Beginn an im Rahmen der Werkstoffentwicklung zu untersuchen und zu beurteilen.Das Wärmetechnische Labor des Bereiches Werkstofftechnik verfügt nun über zwei Versuchsstände, mit denen sich das Werkstoffverhalten unter dampf- und rauchgasseitigen Korrosionsbedingungen untersuchen lässt. Hierfür wurden zwei Horizontalöfen installiert, die jeweils einen Temperaturbereich von 400–900°C abdecken. Für die Untersuchungen der Hochtemperaturkorrosion unter Rauchgasbedingungen wird ein speziell auf den Versuch abgestimmtes Korrosivgasgemisch mit konstantem Volumenstrom durch den Ofenraum geleitet. Die Variabilität der Gaskomponenten ermöglicht es, unterschiedliche Gaszusammensetzungen zu wählen und so die praxisnahe Werkstoffumgebung möglichst optimal einzustellen. Versuche unter simulierten Ascheablagerungen sind ebenfalls möglich. Für die Untersuchungen zur Wasserdampfkorrosion wird gesättigter Dampf mit konstantem Volumenstrom durch den Ofenraum geleitet. Jeder Versuchsstand ermöglicht die Durchführung von bis zu 18 parallelen Hochtemperaturkorrosionstests mit Laufzeiten von 1 h bis über 10.000 h. Es kann hierbei das gesamte Werkstoffspektrum, angefangen von den klassischen martensitischen Chromstählen bis hin zu hochentwickelten Nickelbasiswerkstoffen, untersucht werden. 

Durch entsprechende Versuchsführung und anschließende Nachuntersuchungen ist es somit möglich, das zeitabhängige Korrosionsverhalten (z. B. Metallverlust) unter den gegebenen Betriebsbedingungen (Atmosphäre und Temperatur) zu ermitteln. Dabei können die Auswirkungen einzelner Legierungselemente auf den Korrosionsverlauf bestimmt werden. 

SZMF hat mit dem neuen Kompetenzfeld auf die gestiegenen Anforderungen der Entwicklung neuer Hochleistungswerkstoffe für die Kraftwerke der nächsten Generation reagiert. Damit entspricht SZMF der in jüngster Zeit immer drängender werdenden Nachfrage nach der systematischen experimentellen Analyse von dampf- und rauchgasseitigem Korrosionsverhalten.

Die rauchgasseitige Korrosion geht einher mit Ascheablagerungen
Die rauchgasseitige Korrosion geht einher mit grübchenförmigen Korrosionsangriff